JPH0256895A

JPH0256895A - 薄膜ｅｌ素子

Info

Publication number: JPH0256895A
Application number: JP63206475A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tamura; 保暁田村; Haruki Ozawaguchi; 小沢口　治樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-08-22
Filing date: 1988-08-22
Publication date: 1990-02-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、薄膜エレクトロルミネセンス素子（薄膜ＥＬ
素子）に係り、特に、高輝度、高効率で駆動電圧が低く
、かつ、良好なヒステリシス特性を示す薄膜ＥＬ素子に
関する。

〔従来の技術〕

高度情報通信時代の進展に伴い、情報処理装置の一部と
して表示装置の重要性が高まってきている。特に、近年
では、奥行き寸法が大きなブラウン管を用いた表示装置
に代わる薄型の平面型表示装置に対する需要が急速に拡
大しつつある。平面型表示装置の中でも薄膜ＥＬ素子は
全固体型であるため信頼性が高く、また、自己発光型で
あることにより液晶表示素子等と比較して視認性に優れ
ており、平面型表示装置の最有力候補°として各所で活
発に研究開発が行われている。

しかし、従来の硫化亜鉛（ＺｎＳ）に希土類元素等を添
加した薄膜を発光層とする素子では高輝度の青色発光や
色純度に優れた赤色発光が得られないという問題があり
、多色発光が可能なＥＬ発光層材料の開発が切望されて
いた。このような条件下で、近年、硫化ストロンチウム
（ＳｒＳ）、硫化カルシウム（ＣａＳ）、硫化バリウム
（ＢａＳ）などのアルカリ土類弗化物に希土類元素を添
加した発光層を用いた薄膜ＥＬ素子で高輝度の青色発光
や色純度に優れた赤色発光が得られるにいたり、これら
アルカリ土類硫化物を発光層とする薄膜ＥＬ素子の研究
開発が活発化してきた。

ところが、研究開発の進展につれて、このようなアルカ
リ土類硫化物に希土類元素等の活性物質を添加した薄膜
を発光層とする薄膜ＥＬ素子において、発光層の結晶性
が発光輝度、発光効率等の素子特性に大きく影響を与え
ることが明らかになってきた。そのため、素子作製時に
基板温度を高くしたり、ＣａＳの蒸着と同時に硫黄（Ｓ
）を蒸着させるなどの方法によって発光層の結晶性を向
上させることなどの試みが行われてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記何れの方法を用いても、得られる薄
膜は、結局は、多結晶であり、膜厚と垂直の方向につい
て結晶粒界などの欠陥が存在するため、薄膜ＥＬ素子の
発光特性向上には、結晶の大粒径化を図るなど、結晶性
改善の余地が残されたままであった。発光層の膜質とし
て最も望ましいのは単結晶であるが、非晶質である絶縁
層上に薄膜形成を行う限り、発光層の単結晶化は不可能
である。この点を解決するためには単結晶基板上に発光
性薄膜を形成すればよいが、ＣａＳの格子定数は５．６
９７人であり、現在入手できる最も良質の単結晶基板で
あるシリコン（Ｓｉ）、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）の格
子定数との不整合（格子子１１）が数十％に達するため
、直接これらの基板上に良質な単結晶成長を行わせるこ
とは困難である。また、これら半導体単結晶基板上にエ
ピタキシャル成長を行わせる場合でも、ＥＬ素子の駆動
に必要な発光層と基板との間の絶縁が保てないために、
良好な発光特性を有する素子を得ることができないとい
う問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の有していた課題を解決
して、発光効率、発光輝度が高く、かつ、駆動電圧の低
い薄膜ＥＬ素子を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、単結晶基板と発光層薄膜との間にアルカリ
土類弗化物薄膜層を設けて単結晶基板と発光層薄膜との
格子整合を図り発光層の結晶性を向上させ、かつ、該ア
ルカリ土類弗化物薄膜を絶縁層として機能させることに
よって達成することができる。

〔作用〕

第１図は、ＳｉとＣａＳとアルカリ土類弗化物である弗
化カルシウム（Ｃａ　Ｆ　ｚ　）　、弗化ストロンチウ
ム（ＳｒＦ、）、弗化バリウム（ＢａＦ２）との格子定
数の関係を示した図である。アルカリ土類弗化物は混晶
を作り、その混晶組成に応じて格子定数が決定されると
いうベガードの法則（Ｖｅｇａｒｄ’ｓＬａｗ）に従う
ことが知られており、任意の混合比にすることにより任
意の格子定数を有する混晶を形成することができる。図
から明らかなように、Ｃａ　Ｆ　ｚ　、　Ｓ　ｒ　Ｆ　
＠　、　Ｂ　ａ　Ｆ　ｚを適当な量混合し混晶を形成さ
せることによって、５．４６人から６．２０人までの任
意の格子定数を持った化合物を形成させることができる
。このことは、単結晶成長において許容できる格子不整
合を５％であるとすれば、アルカリ土類弗化物混晶を用
いることにより、５．２人から６．５人までの広範囲に
わたって格子整合を図ることが可能であることを示して
いる。

したがって、このようなアルカリ土類弗化物の単体、積
層膜あるいは混晶膜をＳｉ基板とＣａＳ発光層との間に
設けることによって、発光層であるＣａＳ薄膜の結晶性
が大幅に改善され、デッドレイヤーが全く存在しないだ
けでなく、単結晶化することも可能である。

また、アルカリ土類弗化物薄膜！よ良好な絶縁特性を有
しているため、交流電圧で駆動した時に発光層内を移動
する電荷を有効に保持することができ、ＥＬ素子化した
場合に良好なヒステリシス特性を示すのみならず、発光
効率、発光輝度ともに高く、駆動電圧の低い薄膜ＥＬ素
子を実現することができる。

〔実施例〕以下、本発明薄膜ＥＬ素子について、実施例によってさ
らに具体的に説明する。

実施例１第３図は、Ｓｉ基板上にＣａＦ、とＳｒＦ、の化合物薄
膜で、その組成が膜厚方向に連続的に変化し、Ｓｉ基板
と接する部分の格子定数が５．４人から５．７人の範囲
にあり、ＣａＳ感光層と接する部分の格子定数が５．６
人から５．８人の範囲にあるような薄膜を形成し、さら
に該薄膜上にＣａＳ発光層を形成したことを特徴とする
薄膜ＥＬ素子の基本的構造を示す断面図で、Ｓｉ基板１
、連続的に組成を変化させたＣａＦ２とＳｒＦ２との化
合物薄膜２、ＣａＳ発光層３、絶縁膜４、透明電極５か
らなることを示す、なお、図で６は素子を駆動するため
の交流電源を示す。

上記素子を作製するにあたっては、まずＳｉ基板１を硫
酸と過酸化水素水とを４＝１の混合比で混合した混合液
中で洗浄（ピラニア洗浄）した後流水中で水洗し、さら
に、５％の弗化水素酸水溶液に浸漬して表面酸化膜を除
去し、再び水洗する。

次に、該洗浄ずみ基板を高真空蒸着装置内に設置し、ア
ルカリ土類弗化物薄膜２を厚さ１０００人形成する。こ
こで、上記アルカリ土類弗化物薄膜２の形成に際しては
、　Ｃａ’Ｆ２とＳｒＦ、とをそれぞれ別の蒸発源から
蒸発量を制御して薄膜形成を行い、Ｓｉ基板と接する部
分の組成はＣａＦ２１００％、ＣａＳ感光層と接する部
分はＣａＦ２３０％、５ｒＦ２７０％の組成とした。こ
のような組成とすることによって各層間の格子不整が０
．５％以下になるので、該層上に結晶性に優れたＣａＳ
発光層薄膜を形成することができる。また、以上のよう
にして形成したアルカリ土類弗化物薄膜２について走査
電子顕微鏡による観察および高速反射電子線回折（ＲＨ
ＥＥＤ）による検査を行った結果、該薄膜にはクラック
が存在せず、また、表面平坦性に優れた単結晶薄膜であ
ることが確認された。

次いで、さらに、上記のようにして形成したアルカリ土
類弗化物薄膜２上にＣａＳ発光層薄膜３を１μｍの厚さ
で形成した。ここで、該発光層薄膜３は、赤色発光のＥ
Ｌ素子を作製するために、ユーロピウム（Ｅｕ）を０．
１ｍｏｆｆ％添加したＣａＳペレットを蒸発源として電
子ビーム蒸着法によって形成した。また、この時の基板
温度は５００℃、薄膜形成速度は１００人／ｍｉｎとし
た。このようにして形成したＣａＳ発光体薄膜３は走査
電子顕微鏡によるａｍおよびＲＨＥＥＤによる検査の結
果。

クラックが存在せず、また、表面平坦性に優れた単結晶
薄膜であることが確認された。

さらに、このあと、上記発光層薄膜３上にＥＣＲプラズ
マＣＶＤ法により窒化シリコンと酸化シリコンとを積層
した絶縁膜４を１０００人の厚さで形成し、さらに、ス
パッタリング法によりＩＴ○透明電極５を形成してＥＬ
素子とした。このＥＬ素子を駆動する場合には、交流電
源６によりＳｉ基板１と透明電極５との間に交流電圧を
印加すればよく、発光は透明電極５側からｉｅｔｍでき
る。第２図の曲線（ａ）は上記のようにして作製した素
子を１ｋＨｚの交流パルス電圧で駆動した場合の印加電
圧と発光輝度との関係および印加電圧と発光効率との関
係を示したものである。また、同図曲線（ｄ）は上記素
子と同一膜厚でＩＴ○被覆ガラス基板上に形成した多結
晶構造発光層を有するＥＬ素子の特性を示したものであ
る。この結果から、本発明の薄膜ＥＬ素子が、従来構造
の多結晶発光層ＥＬ素子と比較して、低電圧で発光し、
発光輝度、発光効率がともに高く、かつ、良好なヒステ
リシス特性を示すことがわかる。

実施例２第４図は、Ｓｉ基板１上に形成したアルカリ土類弗化物
薄膜７がＣａＦ、とＳｒＦ、との化合物薄膜であり、そ
の格子定数が５．４人から５．７人の範囲にあるように
組成を制御した薄膜であることを特徴とする薄膜ＥＬ素
子の基本的な構造を示す断面図である０本構成の場合、
実施例１の場合と異なり。

アルカリ土類弗化物薄膜の形成にあたって各アルカリ土
類弗化物を、それぞれ蒸発量を制御しながら組成を調整
しつつ形成する必要がなく、薄膜形成が簡便であるとい
う特徴を有する。

上記構成の素子を作製するにあたっては、実施例１の場
合と同様にして洗浄したＳｉ基板１を高真空蒸着装置内
に設置し、得られる混晶の格子定数が５．４人から５．
７人の範囲となるように予めＣａＦ２とＳｒＦ、とを混
合したペレットを蒸発源としてアルカリ土類弗化物薄膜
層７を１０００人の厚さで形成した。さらに、上記薄膜
層７上にＣａＳ発光層薄膜３を１μ園の厚さで形成した
。ここで、該ＣａＳ薄膜３は、赤色発光のＥＬ素子を作
製するために、実施例１の場合と同様に、Ｅｕを０．１
ｍｏｆ１％添加したＣａＳペレットを蒸発源として電子
ビーム蒸着法によって形成した。また、この時、基板温
度は５００℃、薄膜形成速度は１００人／ｍｉｎとした
。このようにして形成したＣａＳ発光層３は、走査電子
顕微鏡による観察およびＲＨＥＥＤ回折による検査によ
って、クラックが存在せず、また、表面平坦性に優れた
単結晶薄膜であることが確認された。

このあと、上記発光層薄膜３上に、さらに、ＥＣＲプラ
ズマＣＶＤ法により窒化シリコンと酸化シリコンを積層
した絶縁膜４を１０００人の厚さで形成し、さらに、ス
パッタリング法によりＩＴ○透明電極５を形成してＥＬ
索子とした。第２図（ｂ）は該素子を１ｋＨｚの交流パ
ルス電圧で駆動した場合の印加電圧と発光輝度との関係
および印加電圧と発光効率との関係を示したものである
。この結果から、本実施例の場合のＥＬ素子も、従来構
造の多結晶発光層ＥＬ素子と比較して、低電圧で発光し
、発光輝度、発光効率ともに高く、かつ、良好なヒステ
リシス特性を示すものであることがわかる。

実施例３第５図は、Ｓｉ基板１上にＣａＦ２薄膜８を形成し、さ
らに、その上にＣａＳ発光層薄膜３を形成したことを特
徴とする薄膜ＥＬ素子の基本的構造を示す断面図である
０本構成の場合１発光層ＣａＳ薄膜３とＣａＦ２層８と
の格子不整が４．３％と比較的大きいが、Ｃａ　Ｆ　、
層８とＳｉ基板１との格子不整が０．５％と小さいため
、結晶性のよい絶縁膜を得ることができる。また、Ｃａ
Ｓ発光層薄膜３は、上記の結晶性に優れた絶縁膜の上に
形成されるため、比較的結晶性のよい膜を得ることがで
きる。なお、本構成の場合、素子作工程が最も簡便であ
り、量産化に適する。

上記構造の素子を作製するに当っては、まず、実施例１
の場合と同様の方法で洗浄したＳｉ基板１を高真空蒸着
装置内に設置してＣａＦ２薄膜８を１０００人の厚さで
形成する。この時、基板温度は４００°Ｃ１薄膜形成速
度は１００人／ｍｉｎとした。このようにして形成した
ＣａＦ２薄膜８について走査電子顕微鏡による！ｉｌ奈
およびＲＨＥＥＤ回折による検査を行った結果、クラッ
クは存在せず、表面平坦性に優れた単結晶薄膜であるこ
とが確認された。

このようにして形成したＣａＦ２ｇ膜８上に、実施例１
，２の場合と同じく、Ｅｕを０．１ｍｏＱ％添加したＣ
ａＳペレットを蒸発源として電子ビーム蒸゛着法によっ
てＣａＳ感光層３を１μｍの厚さで形成した。この時、
基板温度は５００℃、薄膜形成速度は１００人／ｍｉｎ
とした。このようにして形成したＣａＳ発光層３は走査
電子顕微鏡によるａ察およびＲＨＥＥＤ回折による検査
によってクラックが存在せず表面平坦性に優れた単結晶
薄膜であることが確認された。

このあと、上記発光層薄膜３上にＥＣＲプラズマＣＶＤ
法により窒化シリコンと酸化シリコンを積層した絶縁層
４を１０００人の厚さで形成し、さらに、該層上にスパ
ッタリング法によりＩＴＯ透明電極５を形成してＥＬ素
子を作製した。第２図の曲線（ｃ）は上記ＥＬ素子を１
ｋＨｚの交流パルス電圧で駆動した場合の印加電圧と発
光輝度との関係および印加電圧と発光効率との関係を示
したもので、この結果から、本実施例構成のＥＬ素子は
、従来構造の多結晶発光層を有するＥＬ素子と比較して
、低電圧で発光し、発光輝度、発光効率がともに高く、
かつ、良好なヒステリシス特性を示すことがわかる。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、薄膜ＥＬ素子を本発明構成の薄
膜ＥＬ素子とすること、すなわちＳｉ基板上に形成する
絶縁層をアルカリ土類弗化物薄膜からなる層とし、かつ
、該絶縁層上に形成する発光層を活性物質を添加したＣ
ａＳからなる層とすること、によって、従来技術の有し
ていた課題を解決して、駆動電圧が低く、発光輝度、発
光効率がともに高く、かつ、良好なヒステリシス特性を
示す薄膜ＥＬ素子を提供することができた。また、Ｓｉ
基板上に形成していることによって、他の各種半導体素
子との整合性が良く、光集積回路に用いるのに好適なＥ
Ｌ素子を提供することができ、さらに、Ｓｉが黒色であ
るため、発光時のコントラストが高く視認性に優れた薄
膜ＥＬ素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＳｉ、ＣａＳおよびアルカリ土類弗化物の格子
定数の関係を示す図、第２図は本発明構成の薄膜ＥＬ素
子および従来構成の薄膜ＥＬ素子の印加電圧と発光輝度
との関係および印加電圧と発光効率との関係を示す図、
第３図は実施例１の本発明薄膜ＥＬ素子の基本的構造を
示す断面図、第４図は実施例２０本発明ＥＬ素子の基本
的構造を示す断面図、第５図は実施例３の本発明薄膜Ｅ
Ｌ素子の基本的構造を示す断面図である。１・・・Ｓｉ基板２・・・膜厚方向に組成が連続的に変化しているＣａＦ
、とＳｒＦ、との化合物薄膜３・・・ＣａＳ発光層４・・・絶縁膜５・・・透明電極６・・・交流電源７・・・格子定数が５．４〜５．７人の範囲にあるＣａ
Ｆ。とＳｒＦ、との化合物薄膜８・・・ＣａＦ、薄膜特許出願人　　日本電信電話株式会社代理人弁理士　　中　村　純　之　助

Claims

【特許請求の範囲】

１．シリコン（Ｓｉ）基板上に形成した絶縁層、発光層
等からなる薄膜エレクトロルミネセンス素子（薄膜ＥＬ
素子）において、上記絶縁層がアルカリ土類弗化物薄膜
からなる層であり、かつ、上記発光層が活性物質を添加
した硫化カルシウム（ＣａＳ）薄膜からなる層であるこ
とを特徴とする薄膜ＥＬ素子。